EP0361027B1 - Konturenfräser - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein spanabhebendes Werkzeug, insbesondere einen Konturenfräser zur Bearbeitung von Leiterplatten o.dgl. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1; siche beispielsweise DE-A 32 43 522.
• Zur spanabhebenden Bearbeitung insbesondere von glasfaserverstärkten Leiterplatten sind Konturenfräser bekannt geworden, die üblicherweise aus Vollhartmetall mit pyramidenähnlicher Zahnform und einem Durchmesser von 0,4 bis 3 mm bestehen. Die Einsatzdauer bzw. der Standweg des Werkzeugs wird im wesentlichen von der Beschaffenheit des zu bearbeitenden Werkstoffes sowie von der Schneidengeometrie der einzelnen Schneiden des Fräsers bestimmt. Bei der Schneidengeometrie wird eine sog. Kreuzverzahnung oder auch Diamantverzahnung angewandt. Hierzu wird das Werkzeug mit einer bestimmten Anzahl von Hauptschneidnuten mit Hauptschneiden mit einer bestimmten Steigung versehen, die von einer bestimmten Anzahl von Teilernuten oder Nebenschneidnuten mit gegenläufiger Steigung gekreuzt werden. Durch die Teilernuten werden die Hauptschneidnuten in Teilbereiche aufgeteilt, so daß jede, zunächst durchgehende Haupschneide in eine Vielzahl von Einzelschneidelementen mit geringer Breite durch die Teilernuten unterteilt ist. Dies ist erforderlich, um die Schneidenbelastung und die Erwärmung der Konturenfräser herabzusetzen, um die Bruchgefahr zu reduzieren.
• Bei der Herstellung der Kreuzverzahnung, bestehend aus Hauptschneidnuten und gegenläufigen Teilernuten wurden bisher folgende Kriterien beachtet. Sofern man die Anzahl und den Steigungswinkel von Hauptschneidnuten und Teilernuten in ihrem Betrag gleich auswählt, ergeben sich axiale Lücken, die keinen Schneidzahn aufweisen. Deshalb scheidet diese Methode bei der Herstellung der Kreuzverzahnung im allgemeinen aus.
• Um keine axialen Lücken im Schneidbereich zu erhalten, sieht eine Methode der Herstellung von Kreuzverzahnungen vor, daß die Anzahl der Hauptschneidnuten unterschiedlich gewählt wird zur Anzahl der Teilernuten, bei gleichbleibendem Steigungswinkel beider Nutenarten. Wählt man beispielsweise eine Differenz von "1" zwischen Anzahl der Hauptschneidnuten und Teilernuten, z.B. sieben Hauptschneidnuten und acht Teilernuten bei gleicher Steigung, so ergibt sich in einer axialen Höhe, d. h. in einer radialen Ebene ein Einzelschneidelement am gesamten Umfang, dem sich axial gesehen, ein weiteres Einzelschneidelement anschließt, welches am Umfang um einen bestimmten Winkel versetzt ist, wobei keine Überlappung der Schneidzähne in axialer Richtung stattfindet.
• Wählt man eine Differenz zwischen Anzahl der Hauptschneidnuten und Teilernuten von "2", z.B. acht Hauptschneidnuten und zehn Teilernuten, so ergibt dies ein Fräswerkzeug, bei welchem in einer axialen Höhe, d.h. in einer radialen Ebene zwei Einzelschneidelemente um einen bestimmten Winkel versetzt angeordnet sind. Auch hier schließen sich die weiteren, in einer anderen axialen Lage angeordneten Schneidelemente lediglich an, ohne daß es zu einer axialen Überlappung einzelner Schneidelemente kommt. In Fig. 5 ist eine Abwicklung des Schneidmantels eines solchen Konturenfräsers gezeigt. Dabei sind acht Hauptschneidnuten und zehn Teilernuten gewählt. Der senkrechte gestrichelte Bereich zeigt den jeweiligen Teilbereich des Anfangs und Endes zweier axial aufeinander folgenden Zähnen mit direktem Eckenanschluß. Dies wird nachfolgend noch näher beschrieben.
• Wählt man gleiche Anzahl von Hauptschneidnuten und Teilernuten bei unterschiedlichen Steigungswinkeln der beiden Nutenarten, so ergibt dies zwar in einer bestimmten axialen Höhe, d.h. einer bestimmten radialen Ebene, eine Vielzahl von Schneidelementen, die je nach Größe der Steigungsdifferenzen axial versetzt gegeneinander angeordnet sind. Eine Vielzahl von in der gleichen radialen Ebene angeordneten Schneidelementen erhöht jedoch die Reibungskräfte und vermindert den Schneiddruck auf den einzelnen Schneidzahn bzw. Einzelschneidelement. Deshalb ist auch diese Herstellungsmethode unbefriedigend.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schneidengeometrie eines spanabhebenden Fräswerkzeuges, insbesondere eines Konturenfräsers zur Bearbeitung von Leiterplatten zu schaffen, wobei die Belastung insbesondere der Eckbereiche der Schneidzähne reduziert und damit die Standzeiten erhöht werden, bei Erhöhung der Schneidleistung und Verminderung der Wärmeentwicklung.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Werkzeug der einleitend bezeichnenden Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein optimaler Wirkungsgrad des Konturenfräsers dann erzielt wird, wenn in einer axialen Höhe, d.h. in einer Radialebene lediglich ein Schneidzahn oder Einzelschneidelement der Hauptschneide in spanabhebenden Eingriff kommt, da hierdurch ein Maximum an Zerspanfähigkeit bei einem Minimum an Wärmeentwicklung verwirklicht wird. Schon zwei Schneidzähne am Umfang bzw. auf der gleichen Radialebene erhöhen die Wärmeentwicklung erheblich, was zu einem vorzeitigen Verschleiß führt. Erfindungsgemäß wird jedoch das in einer radialen Ebene angeordnete Einzelschneidelement bzw. der Schneidzahn von einem weiteren, axial etwas versetzt angeordneten Schneidzahn bzw. Einzelschneidelement überlappt, wobei die Überlappung etwa bis zur Hälfte der Breite jedes Schneidzahnes erfolgen kann. Dabei ist der axial überlappende Schneidzahn am Umfang um einen bestimmten Winkel versetzt angeordnet. Je nach Breite der gewählten Hauptschneidnuten und/oder Teilernuten kann die Überlappung in bestimmtem Umfang variiert werden.
• Die Überlappung der Einzelschneidelemente bzw. diese Zahnüberdeckung hat den Vorteil, daß diese Einzelschneidelemente in ihren Eckbereichen nicht derart stark beansprucht werden, wie es der Fall ist, wenn die Einzelschneidelemente sich axial aneinander ohne Überlappung anschließen. Gerade die Eckbereiche der Schneidzähne sind besonders verschleißempfindlich, so daß die erfindungsgemäße Ausbildung zu einer beträchtlichen Erhöhung der Standzeiten und zu einer Leistungssteigerung führt. Bei einer Schnittgeschwindigkeit zwischen 220 m/Min. und 260 m/Min. ist beispielweise eine Leistungssteigerung bis zu 70% gemessen worden. Gleichzeitig konnte die Standzeit um 25% erhöht werden.
• Maßgeblich für die erfindungswesentliche Geometrie des Konturenfräsers ist die Auswahl der Anzahl der Hauptschneidnuten sowie der zugehörigen Teilernuten. Wählt man die Anzahl der Hauptspannuten als mathematische Primzahl, d.h. als Zahl, die nur mit sich selbst und der Zahl "1" teilbar ist, wählt man weiterhin die Anzahl der Teilernuten in einem bestimmten Verhältnis zu der gewählten Primzahl, insbesondere zuzüglich zwei Nuten, so ergibt sich die erfindungsgemäße Fräsergeometrie mit vorzugsweise nur einem in einer radialen Ebene d.h. einer axialen Höhe angeordneten Schneidzahn bzw. Einzelschneidelement an der Hauptschneide und einem sich mit diesem Schneidzahn axial überlappenden weiteren Schneidzahn. Die Zahnüberdeckung ist dabei 1 1/2fach +/_ 0,1 fach ausgebildet.
• Besonders vorteilhaft ist die Wahl der primzahl "7" für die Anzahl der Hauptschneidnuten und "9" für die Teilernuten, bei einem gleichen Spiralsteigungswinkel von α₁ = α₂ ∼ 22 bis 24° für die Hauptschneidnuten und die Teilernuten. Hierdurch ergibt sich ein Werkzeug mit einer hohen Leistungssteigerung.
• Vorteilhaft ist dabei weiterhin, wenn der Steigungswinkel β der in der Abwicklung aufeinander folgenden Einzelschneiden der Hauptschneidnut einen Winkel in der Größe β ∼ 71 bis 74° zur Werkzeugachse einnimmt. Zweckmäßigerweise werden die Nutentiefen der Hauptschneidnut und der Teilernut in der Größenordnung von 12 bis 16% vom Nenndurchmesser gewählt. Dies ergibt eine ausreichende Nutentiefe für den Abtransport des Spangutes, ohne daß der Zahnfuß und der Kerndurchmesser zu sehr geschwächt sind.
• Das Fräswerkzeug kann links- oder rechtsspiralig je nach Anwendungsfall ausgestattet sein.
• Bei der erfindungsgemäßen Zahngeometrie läßt sich die Breite der Einzelschneidelemente bzw. jedes einzelnen Schneidzahnes aus der in der Beschreibung angegebenen Formel näher berechnen. Auf diese Weise, sowie in Verbindung mit der Nutenbreite, läßt sich die Zahngeometrie des Fräsers genau bestimmen.
• Um die hohe Leistungssteigerung zu erzielen, wird vorzugsweise ein Werkstoff aus Ultrafeinkorn-Hartmetall mit einer Korngröße von ∼ 0,4µ gewählt, bei einer Vickershärte von HV > 1800, insbesondere HV = 2.000 N/mm² bei einer Bruckfestigkeit von δ B > 2.800 N/mm².
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines bekannten Fräswerkzeugs (Fig. 1 und 5) sowie eines Ausführungsbeispiels der Erfindung (Fig. 2 bis 4).
• In Figur 1 ist zur Erklärung der Begriffe ein bekanntes Fräswerkzeug schematisch dargestellt. Das Fräswerkzeug 1 besteht aus einem Einspannschaft 2 und einem Schneidenteil 3 mit einer sog. Kreuzverzahnung. In Verbindung mit der Darstellung nach Fig. 5, welche eine Abwicklung des Schneidenteils mit Kreuzverzahnung in bekannter Form darstellt, werden in das Schneidenteil 3 beispielsweise n₁ = 8 nebeneinanderliegende Hauptschneidnuten 4 unter einem Steigungswinkel α₁ zur Bildung der Hauptschneiden 5 eingebracht.
• Um die spiralförmig verlaufenden Hauptschneiden 5 in ihrer Länge zu unterbrechen bzw. um die Einzelschneidelemente bzw. Schneidzähne 6 herzustellen, werden sog. Teilernuten 7 unter einem gegenläufigen Winkel α₂ eingebracht. In der Darstellung nach Fig. 5 sind dies bei einem bekannten Fräswerkzeug n₂ = 10 Teilernuten. Die Teilernuten bilden eine Nebenschneide 8, die jedoch nicht als eigentliche Schneide wirkt.
• Betrachtet man das in Fig. 1 nur schematisch dargestellte Schneidenteil 3 am Beispiel eines bekannten Fräsers nach Fig. 5 mit einem Verhältnis n₁: n₂ = 8: 10 bei einem Steigungswinkel der Hauptschneidnuten und Nebenschneidnuten von α₁ = α₂, so stellt man in jeder axialen Höhe bzw. radialen Ebene 9, 9′ usw. fest, daß stets zwei Einzelschneidelemente 6, 6′ am Umfang im jeweiligen Höhenabschnittsbereich (z.B. 10) am Umfang der Kreuzverzahnung verteilt sind. Der in axialer Richtung darauffolgende Schneidzahn liegt in der Darstellung nach Fig. 5 im nächstfolgenden Höhenabschnittsbereich 11, oberhalb oder unterhalb des Höhenabschnittsbereiches 10, so daß es zu keiner Überlappung der Schneidzähne 6, 6′ sondern lediglich zu einem axialen Anschluß durch die sich anschließenden Höhenabschnittsbereiche kommt. In Fig. 5 sind zur besseren Darstellung noch zwei weitere Höhenabschnittsbereiche 12, 13 dargestellt, wobei jeder Höhenabschnittsbereich 10 bis 13 und folgende stets die Breite b′ der Schneidzähne 6, 6′ in ihrer seitlichen Projektion aufweist. Die tatsächliche Breite ist mit "b" gekennzeichnet.
• Bei der vorliegenden Erfindung wird nun in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die für die Anzahl der Hauptschneidnuten zu verwendende Primzahl als n₁ = 7 und die Anzahl der Teilernuten n₂ = 9 gewählt, wie dies im Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 4 dargestellt ist. Dabei beträgt der Spiralsteigungswinkel α₁ = α₂ ca. 22 bis 24°, insbesondere α₁ = α₂ = 23°.
• Aus der zeichnerischen Darstellung der Abwicklung in Fig. 4 zeigt sich, daß in einem bestimmten axialen Höhenabschnittsbereich 14, d.h. in einer bestimmten axialen Höhe bzw. radialen Ebene 9 lediglich ein einziges Einzelschneidelement 6 (Schneidzahn) mit der Breite "b" und seiner vollen seitlichen Projektionsbreite b′, welches dem Höhenabschnittsbereich 14 entspricht, vorhanden ist. Auch der darauffolgende nächste Höhenabschnittsbereich 15 weist lediglich einen Schneidzahn 6 an seinem gesamten Umfang auf.
• Erfindungsgemäß werden jedoch aufeinanderfolgende Höhenabschnittsbereiche 14, 15 von diesen Bereichen überlappende Schneidzähne 6˝ überbrückt, wobei jeder Schneidzahn 6 innerhalb eines Höhenabschnittes 14, 15 etwa zu 50% vom Schneidzahn 6˝ aus dem benachbarten Höhenabschnitt überlappt wird. Es liegt demnach eine 1 1/2fache Zahnüberdeckung vor, die vorzugsweise um das  +/_ 0,1 fach variieren kann.
• Die Breite b jedes Einzelschneidelements bzw. jedes Schneidzahns 6, 6′, 6˝ berechnet sich aus der Formel $$\text{b= }\frac{\text{D · π}}{\text{tan α}}\text{ · }\frac{\text{1}}{\text{n₁ · n₂}}$$

  

  
  
  Hierbei ist:

D = 

Nenndurchmesser des Schneidenteils

α = 

α₁ = α₂ = Steigungswinkel von Hauptschneidennut 4 und Teilernut 7

n₁ = 

Anzahl der Hauptschneidnuten 4

n₂ = 

Anzahl der Teilernuten 7

• Die axial aufeinanderfolgenden, jedoch am Umfang versetzt angeordneten Schneidzähne 6 in jedem Höhenabschnittsbereich 14, 15 usw. liegen auf einer Linie 17 mit dem Steigungswinkel β zwischen 74 und 71° zur Werkzeuglängsachse 16. Gleichermaßen liegen die Schneidzähne 6˝, die die Schneidzähne 6 stets um die Hälfte überlappen, ebenfalls auf einer Linie 17′ einem Steigungswinkel β₁, wobei β₁ = β ist.
• Aus der Darstellung nach Fig. 4 ist demnach ersichtlich, daß in jeder axialen Höhe bzw. jeder radialen Ebene 9 stets nur ein einziger Schneidzahn 6 vorhanden ist, der - axial gesehen - vom nächstfolgenden Zahn 6˝ zur Hälfte überdeckt ist. Dies gilt in beiden axialen Richtungen des Schneidzahns. In Fig. 4 sind die axial sich anschließenden, d.h. sich nicht überlappenden Schneidzähne mit 6, und die zu diesen Schneidzähnen überlappenden Zähne mit 6˝ bezeichnet.
• Durch die Zahnüberdeckung werden die Zahnecken weniger stark beansprucht. Im übrigen liegt eine hohe Schneidleistung vor, da sich in jeder radialen Ebene nur ein ganzer Schneidzahn befindet.
• Für die Erfindung ist es demnach wesentlich, daß für die Anzahl n₁ der Hauptschneidnuten eine Primzahl verwendet wird. Dies ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 die Primzahl "7". Folgendes Verhältnis von Anzahl der Hauptschneidnuten zu den Teilernuten wäre sinnvoll:

  
• Bei der Wahl einer Primzahl als Anzahl für die Hauptschneidnuten ergeben sich die zuvor geschilderten Fräsereigenschaften, wobei stets eine Überlappung der Schneidzähne eintritt. Die Stärke bzw. der Umfang der Überlappung wird durch die Breite der Teilernut in gewissem Umfang bestimmt.
• In Fig. 2 sind zur Vervollständigung der Darstellung noch eine Stirnansicht der Hauptschneide mit den Schneidzähnen 6 sowie den axial hierzu versetzt angeordneten Schneidzähnen 6˝ dargestellt. Hinter dem Schneidzahn 6 ist der zugehörige Höhenabschnittsbereich 14, 15 usw. in Klammern angegeben; z.B. 6 (14): Schneidzahn 6 im Höhenabschnittsbereich 14. Die in Fig. 2 dargestellten Schneidzähne 6 liegen selbstverständlich in unterschiedlichen axialen Höhen bzw. radialen Ebenen, wobei diese Ebenen in Fig. 4 wiedergegeben sind.
• Der Teilungswinkel beträgt δ 1 =  $$\frac{\text{360}}{\text{n₁}}$$

  
• Bei sieben Hauptschneidnuten beträgt δ₁ = 51° 25′ 43˝. Die Tiefe der Hauptschneidnut ist mit t₁ angegeben, wobei diese 12 bis 16% des Nenndurchmessers D des Fräswerkzeugs beträgt.
• In Fig. 3 ist eine Stirnansicht der Nebenschneiden dargestellt, hervorgerufen durch die Teilernuten 7. Der Teilungswinkel beträgt
  $$\text{δ 2 = }\frac{\text{360°}}{\text{n₂}}$$

  

  
  
• Bei n₂ = 9 Teilernuten δ₂ = 40°. Die Nutentiefe t₂ der Teilernuten 7 liegt in der gleichen Größenordnung wie die Nutentiefe t₁ der Hauptschneidnuten 5, inbesondere gilt t₁ = t₂.
• Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt im Rahmen der Patentansprüche auch alle fachmännischen Abwandlungen.

Claims (8)

1. Konturenfräser, insbesondere zur Bearbeitung von Leiterplatten o.dgl., mit einem Schneidenteil mit Kreuzverzahnung (Diamantverzahnung), die durch eine Anzahl (n₁) von in einem bestimmen Steigungswinkel (α₁) verlaufenden Hauptschneidnuten gebildet ist, deren Hauptschneiden durch eine Anzahl (n₂  = n₁ + X) von, die Hauptschneidnuten kreuzenden Teilernuten mit einem Steigungswinkel α₂ unterbrochen sind, wobei der Spiralsteigungswinkel α₁ der Hauptschneidnuten im Betrag gleich dem Steigungswinkel (α₂) der Teilernuten ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von sich axial überlappenden Schneidzähnen (6, 6˝) die Anzahl (n₁) der Hauptschneidnuten (4) einer Primzahl entspricht (n₁ = 3, 5, 7, 11, 13...) und daß die Anzahl (n₂) der Teilernuten (7) größer ist als die Anzahl n₁ der Hauptschneidnuten (4) und um den Betrag "2" höher liegt (n₂ = n₁ + 2) als die Anzahl (n₁) der Hauptschneidnuten.

2. Konturenfräser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwei am Umfang versetzt angeordnete Schneidzähne (6) in axialer Richtung aneinander anschließen und daß die axiale Überlappung dieser Schneidzähne (6) durch einen axial dazwischenliegenden Zahn (6˝) erfolgt.

3. Konturenfräser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralsteigungswinkel α₁, α₂ der Hauptschneidnuten (4) und der Teilernuten (7) α₁ =  α₂ ∼ 22 bis 24°, insbesondere α₁ = α₂ = 23° beträgt bei einer Anzahl n₁ = "7" der Hauptschneidnuten (4) und n₂ = "9" der Teilernuten (7).

4. Konturenfräser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Teilernuten (7) gebildeten Einzelschneidelemente bzw. Schneidzähne (6, 6˝) der Hauptschneide (5) auf einem Steigungswinkel β zwischen 74° und 71° zur Werkzeuglängsachse (16) am Schneidenhüllzylinder angeordnet sind.

5. Konturenfräser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (t₁) der Hauptschneidnut (4) und die Tiefe (t₂) der Teilernut (7) ca. 12 bis 16% des Werkzeugnenndurchmessers (D) betragen (t₁ = t₂ ∼ (12 bis 16%)· D)).

6. Konturenfräser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptschneidnut (4) und die Teilernut (7) links- oder rechtsspiralig ausgebildet ist.

7. Konturenfräser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Breite (b) eines Einzelschneidelements (6, 6˝) (Schneidzahn) der Hauptschneidnut (4) aus der Formel ergibt:
$$\text{b = }\frac{\text{D · π}}{\text{tan α}}\text{ · }\frac{\text{1}}{\text{n₁ n₂}}$$

wobei D = Nenndurchmesser

α = α₁ = α₂ = Steigungswinkel von Hauptschneidnut und Teilernut

n₁ = Anzahl der Hauptschneidnuten

n₂ = Anzahl der Teilernuten ist.

8. Konturenfräser nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Ultrafeinkorn-Hartmaterial mit einer Korngröße von ca. 0,4µ besteht mit einer Vickershärte von HV > 1800 N/mm², insbesondere HV = 2000 N/mm² und einer Bruchfestigkeit von δ_B > 2800 N/mm².

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